船舶脫硫塔優化設計

張壹博,喬學彬,王海濱,趙恒智,辛福龍,谷政

(招商局金陵船舶(威海)有限公司,山東 威海 264200)

船舶發動機排放的煙氣中含有非常多的SO2和PM,其主要由碳單質和硫酸鹽組成。根據歐盟的調查顯示,整個歐洲船舶所排放的SO2總量比人類在陸地上生活居住排放的還要高,尤其是在大型海峽及船舶航行區域,船舶尾氣的排放使這些臨海區域空氣中含有大量的危害氣體[1]。根據聯合國計劃署和國際海事組織的統計,每年海運行業都會排放大量廢氣,全球每年大約有1 620萬 t的SO2排放到大氣環境中,占到全球SO2排放總量的16.36%。考慮到船舶空間、能耗,以及近年來國際海事組織制定的法規越來嚴格,因此船舶上運行的脫硫系統應該具有脫硫效率高、耗能少、占地面積較小,以及不容易堵塞設備等特點,基于此,對各種因素進行綜合分析。

1 鈉堿法煙氣脫硫原理

1.1 船舶濕法脫硫方法

5種主要的煙氣脫硫方法優缺點對比見表1,同時對5種主要的船舶濕法脫硫方法進行對比,選用鈉堿法來吸收船舶煙氣中的SO2。

表1 脫硫方法的優缺點對比

鈉堿法煙氣脫硫技術最重要的過程是NaOH和H20對SO2的吸收,從原理上分析SO2吸收過程,為模擬設計優化噴淋塔做準備[3]。鈉堿法煙氣脫硫流程見圖1。

圖1 鈉堿法煙氣脫硫流程

1.2 氣液吸收模型

船舶在航運過程中排放出來的煙氣使用鈉堿溶液來脫出SO2,該物理化學過程是非常典型的兩相傳質。吸收過程擴散形式主要是對流擴散,其中包括以分子形式和渦流形式兩種擴散過程。分子擴散是由于濃度差作為動力驅動,渦流擴散是流體的自由流動為驅動力。因為鈉堿液吸收煙氣中SO2過程十分復雜,探索兩相間的傳質原理過程以有效提高吸收速率[3]。

1.2.1 雙膜理論

雙膜理論的特點就是把氣液兩相傳質假設為只需要經過氣膜和液膜的流動過程,兩相間的傳質阻力主要分布在氣膜和液膜兩者當中,兩者之間的相界面阻力可以忽略不計。雙膜理論傳質過程示意于圖2,其中物質A可以認為是煙氣中的SO2氣體,pA、pA,i分別是氣體502在氣膜和兩膜之間相界面上的分壓力,CA,i、CA是SO2氣體分別在液膜和相界面上的濃度,mol/m3[4]。

圖2 雙膜理論

1.2.2 滲透理論

滲透理論不考慮膜的存在,該理論的主要思想是認為液體始終處于湍流運動。Herby認為溶質在向液相滲透時是以分子擴散形式進行,隨著反應的進行,液膜里的溶質會越來越多,導致液膜內溶質的濃度不斷增大,其在達到定值后保持穩定。達到溶質在液膜穩定所間隔時間為過渡時間,氣液兩相之間經歷一次完整的過渡時間才稱為一次整體混合過程。滲透理論液相濃度變化見圖3。

圖3 液相濃度變化

1.2.3 表面更新理論

表面更新理論是在對滲透理論的參考下經過整理修改得到的,Dank Wartz認為氣相液相之間是非穩態的分子擴散形式,兩相界面不斷地變化,任意一個粒子在相界面上接觸的時間雖然不一樣,但與其他粒子交換的概率相同。表面更新理論就是液相界面在湍流驅動的作用不斷更新[5]。表面更新理論示意于圖4。

圖4 表面更新理論示意

1.3 SO2吸收速率的影響因素

影響船舶煙氣中的SO2吸收速率可以分為直接因素和間接因素。

1)直接因素。脫硫塔的整體結構參數,如噴淋系統安裝位置,噴嘴的類型和角度,噴淋層層數,上述幾種主要是改變噴淋漿液與煙氣的接觸面積和時間。

2)間接因素。主要包括噴淋液的溫度,噴淋液的顆粒大小以及煙氣中SO2濃度大小等。

2 鈉堿法脫硫洗滌塔結構設計

對于整個船舶洗滌系統來講,脫硫效率的高低主要取決于作為核心設備的洗滌塔,其對于降低煙氣溫度、均衡煙氣分布、加強氣液傳質、緩解煙氣流速等起到非常重要的作用。洗滌塔的內部結構包括噴淋層、除霧器、導流板等結構。洗滌塔內的每一處結構都對船舶尾氣脫硫反應都很重要。考慮采用有限元分析方法,用Fluent軟件對流場進行模擬。

2.1 洗滌塔分類

5種比較常用洗滌塔特征見表2。

表2 洗滌塔主要特征

針對MAN系列柴油機,船舶上安裝的脫硫塔應具有的特點為:內部結構簡單、不易損壞、耐高溫、維修方便、管道不容易堵塞、經濟性高、脫硫效率高等特性。通過對比優缺點,其噴淋塔的內部件少,工作穩定、不易堵塞、且對主機排煙壓降最小,可以減少對主機燃燒效率的影響,總結得出采用噴淋塔來脫除煙氣中SO2有很大的優勢。噴淋塔內部結構見圖5,船舶煙氣從左側長方形進口進入塔內,與噴淋層系統噴出的堿液逆流接觸發生化學反應,煙氣反應脫出SO2后經過折流板除霧器流速發生變化從而消除所攜帶的堿液滴,然后潔凈的煙氣從塔的上部出口排除。反應后的鈉堿液沉積在塔池底部,通過攪拌機對廢棄鈉堿溶液進行攪拌,然后通過循環壓力泵再次進入噴淋系統循環利用[6]。

圖5 典型噴淋塔內部結構

2.2 洗滌塔設計

2.2.1 洗滌塔尺寸

1)噴淋塔下部橢圓形封頭的設計計算。根據橢圓形容器壓力數據,確定計算橢圓形封頭大內徑和小內徑,L1=2 500 mm和L2=187 mm。根據JB/T4711的規定,洗滌塔的厚度應該包括有效厚度和腐蝕裕量,考慮以上兩種原因,設定洗滌塔內壁厚為10 mm。經計算封頭高度為680 mm。噴淋塔橢圓形封頭示意于圖6,封頭下側圓管為堿液排除口,漿液在封頭內收集,進而從排出口排出達到循環利用。

圖6 洗滌塔下端橢圓封頭

2)洗滌塔高度。圖7為文丘里管的實體圖。考慮到船舶柴油機煙氣溫度較高,管材應該耐腐蝕、耐高溫等,經查閱GB/T 2624—2006,文丘里管管道材質選用15號鋼,文丘里管進口直徑為1 000 mm,收縮段長1 050 mm,變徑角度為90°,收縮段長度760 mm,喉管長度為600 mm,擴散段高度為800 mm,擴散角度10.5°[7]。

圖7 文丘里管模型與實物

2.2.2 噴淋層設計

按照3倍的噴淋覆蓋率來計算噴嘴的數量。洗滌塔直徑2 500 mm。為了有較高的脫硫效率,塔內布置3層噴淋,第一層噴淋層高度2 100 mm,第二層高度2 900 mm,第三層高度3 700 mm,每層距離800 mm。設計布置的噴淋層見圖8。

圖8 噴淋層結構

2.2.3 除霧器設計

除霧器選材應考慮容易清洗,耐高溫、耐腐蝕的材料。除霧器折流板材料選用玻璃鋼,每片折流板之間距離設計為45 mm,高度為350 mm,整體直徑為2 500 mm,從而保證除霧效果好[8]。除霧器三維結構示意于圖9。

圖9 除霧器主體

2.2.4 噴嘴選型

在實際工程中比較常見的噴嘴類型和噴淋外觀見圖10。在脫硫除塵行業選擇噴淋塔噴嘴時,需考慮多方面因素,如選擇不容易被堵塞和腐蝕的噴嘴,同時還需考慮漿液物性和噴淋層所需流量、噴淋霧滴尺寸、噴淋形式,從而選擇合適的噴淋塔噴嘴。

圖10 噴嘴類型和噴淋形式圖示

1)螺旋型噴嘴。在噴射下方布置三角形的螺旋剪切帶,噴淋堿液進入噴嘴后,受到螺旋彎道的應力作用下以霧滴的方式向外射出,在噴淋塔內形成空心吸收液霧滴簾,最終液滴在塔內下方形成圓環圖形,如圖10a)所示,該噴嘴特點是塔內布置多層噴淋效果好、價格比較便宜,管口及內部不易堵塞。

2)軸線型噴嘴。噴嘴的進口端和出口端呈1條豎直軸線,該噴嘴內腔設計了2個交叉旋流片,吸收液從上側進口涌入噴嘴,在2個交叉旋流片作用下以高速射出,在噴嘴下方形成的噴淋液滴密度很大,噴淋塔內橫截面形成實心圓液幕,如圖10b)所示,因為軸線型噴嘴內腔布置有2個旋流片,對有大量固體顆粒的吸收液有一定使用范圍,軸線型噴嘴只能允許含有自身噴孔直徑1/4以下的固態粒子吸收液流過,自然而然該噴嘴非常容易發生堵塞。

3種噴嘴類型中,螺旋形噴嘴噴射出的吸收液滴粒徑尺寸最小,并且相比其余兩種能耗要小很多。并且它具有很高耐磨性,不容易腐蝕和堵塞,具有較好的噴霧功能,并且其噴射的吸收液主要在外環上,吸收液粒徑適中,噴射的液滴均勻,可以增大噴淋堿液霧滴與船舶煙氣的接觸面積,使煙氣與霧滴兩相充分接觸反應,加快脫硫反應的進行。

綜上所述,認為噴淋塔噴嘴選擇螺旋形空心噴嘴最為合適。

2.3 洗滌塔最終尺寸及模型

噴淋塔最終設計參數見表3,結構模型見圖11。

圖11 洗滌塔三維實體模型

表3 噴淋塔最終設計參數

3 洗滌塔數值模擬

3.1 三維噴淋塔模型建立

根據上文設計的船舶噴淋塔設計尺寸,按照1∶1的比例,使用SolidWorks制圖工具建立完整尺寸的三維塔模型,將噴淋塔體外部細節結構和塔體下部鈉堿液橢圓封頭進行忽略處理,簡化后的三維模型見圖12。

圖12 船舶煙氣洗滌塔簡化后模型

利用IC EM軟件自動化生成非結構網格,根據模型的具體形狀劃分結構網格。由于計算機配置和復雜程度原因,采取非結構化網格來劃分三維洗滌塔模型。網格劃分見圖13。

3.2 洗滌塔內噴淋層數對脫硫效率的影響

圖14所示為所設計的洗滌塔內布置不同噴淋層數所對應的塔內縱切面的SO2質量分數分布云圖,模擬狀況為:其中每一層噴嘴數量固定為14個,運行一層噴淋層,液氣比L/G為4 L/m3,進口煙氣中SO2質量分數為0.002 42。

圖14 塔內縱切面SO2質量分數云圖

由圖14可見,噴淋塔進口處SO2質量分數很高,隨著高度上升塔內縱截面上的SO2的質量分數越來越低。對比圖14a)、b)和c)發現,隨著布置噴淋層層數的增加,出口附近的SO2質量分數的分布也越來越均勻。主要是由于船舶尾氣經過彎道進入塔內,快速與自上而下的噴淋堿液滴進行逆流接觸發生物理化學反應,噴淋層數越多表示著噴嘴個數多,噴嘴數量增多會形成更多的霧滴軌跡,越多的霧滴軌跡對煙氣的整合效果越明顯,從而使塔內左側與右煙氣速度均勻,加大兩相反應時間,有利于提高脫硫系統的脫硫效率。不同噴淋層數塔內SO2質量分數縱向大小分布見圖15。

圖15 不同噴淋層數塔內SO2質量分數縱向大小

運行層數S與噴淋塔脫硫效率的關系見圖16。由圖16可見,保持其他各項條件不變的前提下,在一定液氣比(L/m3)范圍內,層數增加可使脫硫效率提高,并且在液氣比越低的時候提升脫硫效率越有顯著效果。以液氣比6 L/m3為例,當運行3層噴淋層比運行一層噴淋層時,脫硫效率從75%提升至79%,增大了4%左右,噴淋塔脫硫性能提升明顯。但是隨著噴淋系統液氣比的不斷變大,當液氣比為10 L/m3時,不同噴淋層所對應的脫硫效率相差很小,提高的脫硫效率并不明顯,所以綜合考慮,所設計的洗滌塔設置3 層噴淋層脫硫效果較好。

圖16 塔內噴淋層數與脫硫效率的關系

3.3 塔徑對脫硫效率的影響

不同噴淋塔直徑塔內縱截面SO2的質量分數分布見圖17,塔直徑分別為2.1、2.3、2.5、2.7 m,塔內運行一層噴淋層,布置高度為Z=3.6 m,噴嘴數量為14個,液氣比為4 L/m3。

不同塔徑洗滌塔內橫截面的平均SO2質量分數見圖18。由圖18可見,在噴淋塔內高度1.2 m左右,SO2質量分數達到了最大,這是因為h=1.2 m是洗滌塔煙氣進口處,此處一直有未凈化的船舶煙氣持續的進入,從而使此截面SO2質量分數一直很高;然后煙氣向上運動,與噴淋系統噴射出的鈉堿液滴接觸發生化學反應脫出SO2,使塔內SO2質量分數越來越低,1.5～2.0 m之間SO2質量分數下降幅度最大,這是由于在此范圍內同時受到3層噴淋層噴淋的作用,此時煙氣與液滴完全充分接觸混合。

圖18 不同塔徑噴淋塔內平均SO2質量分數軸方向分布

4種塔徑在不同液氣比情況下的脫硫效率變化見圖19。噴淋塔徑在2.1～2.5 m之間脫硫效率是呈增長趨勢,然而當塔徑為2.7 m時脫硫效率反而稍微降低。這是因為噴淋塔吸收SO2過程非常復雜,噴淋塔內噴淋堿液霧滴速度和船舶煙氣速度都對脫硫效率都有很大的影響,并且兩者也會互相作用。塔徑在2.1～2.5 m之間脫硫效率增大的原因是在船舶煙氣量不變的條件下,塔徑增大,噴淋塔截面也隨之增大,煙氣在塔內流速減小,噴淋堿液霧滴所受的阻力減少,所以煙氣在塔內的時間變長,與鈉堿液滴接觸時間變久,從而增大脫硫效率。

圖19 噴淋塔塔徑對脫硫效率的影響

4 結論

1)噴淋塔結構設計:噴淋塔直徑2.5 m,高度5.5 m,噴嘴采用錐形噴嘴,內部布置3層噴淋層,每層14個噴嘴,除霧器采用折流板形式,材料選用耐用的玻璃鋼。

2)噴淋塔內數值模擬結果:空塔時煙氣貼壁上行現象十分嚴重,布置噴淋層對煙氣有較好的整流作用;其他條件不變情況下,噴淋塔噴淋層數越多對煙氣整流作用越好,脫硫效率越高。脫硫塔效率和塔徑關系為先呈正比例函數后呈反比例函數,所以計算塔徑時應該綜合考慮。噴淋堿液粒徑越小,脫硫效率越高,但粒徑大小受噴嘴結構制約,過小也會增大除霧器的負擔,造成資源浪費。

3)噴淋塔優化模擬結果:噴淋層選用3層上下交叉排布;噴嘴角度選用120°;噴淋霧滴速度建議選用4 m/s;當船舶煙氣中的SO2濃度較小時,為了節約噴淋堿液的消耗,可以開啟1、3噴淋層;在彎道處布置3片導流板有利于在塔內均勻流動,有效提高脫硫效率。